电压频率变换器的课程设计肖铖.docx
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电压频率变换器的课程设计肖铖
长沙学院
课程设计说明书
题目
电压频率变换器的设计
系（部）
电信系
专业（班级）
电气2班
姓名
肖铖
学号
2011024204
指导教师
马凌云、龙英、刘亮、陈希
起止日期
2012/12/10～2012/12/16
课程设计任务书
一．设计目的
电压频率变换器的设计
二．技术参数和设计要求
1．技术参数
（1）设计一种电压频率变换电路，输入vi为直流信号（控制信号），输出频率为fo的矩形脉冲，且fo∝vi。
（2）vi变化范围为0～10V。
（3）fo变化范围为0～10KHz。
（4）转换精度小于﹤1﹪。
2.设计要求
（1）画出电路原理图或仿真原理图；
（2）元器件及参数选择；
（3）电路仿真与调试；
（4）PCB文件生成与打印输出；
（5）编写设计报告：
包括设计和编写全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
（6）答辩，在规定时间内完成叙述并回答问题。
三．设计工作量
设计时间一周，2012年12月10日～2012年12月16日
四．指导老师评语及成绩
成绩老师签字
年月日
长沙学院课程设计鉴定表
姓名
学号
专业
班级
设计题目
指导教师
指导教师意见：
评定等级：
教师签名：
日期：
答辩小组意见：
评定等级：
答辩小组长签名：
日期：
教研室意见：
教研室主任签名：
日期：
系（部）意见：
系主任签名：
日期：
说明
课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；
目录
第一章电压频率变换器的设计方案简介5
1.1实验目的及应用意义5
1.2设计思路5
1.3原理框图设计5
1.4电路图6
第二章电压频率变换器个单元电路设计7
2.1积分设计7
2.2单稳态触发器设计8
2.3电子开关设计9
2.4恒流源电路设计9
第三章理论计算10
3.1主要参数表10
3.2基本计算10
第四章实验结果11
4.1实验数据记录表11
4.2输入电压为1V时：
11
4.3输入电压为3V时：
12
4.4输入电压为5V时：
13
4.5输入电压为7V时：
14
4.6输入电压为9V时：
15
4.7输入电压为10V时：
16
第五章设计总结和体会17
参考文献18
第一章电压频率变换器的设计方案简介
1.1实验目的及应用意义
1.学习简单积分电路的设计与由555定时器组成的单稳态触发器。
2.用multisim设计出实验原理图，使Vi变化范围：
0～10V，fo变化范围：
0～10KHz；并分析其功能原理。
1.2设计思路
电压频率变换器的输入信号频率fo与输入电压Vi的大小成正比。
输入控制电压Vi常为直流电压，也可根据要求选择脉冲信号作为控制电压，其输出信号为正弦波或者脉冲波形电压。
本设计利用输入电压的大小改变电容的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，故采用积分器作为输入电路。
积分器的输出信号去控制电压比较器或者单稳态触发器，可得到矩形脉冲输出，由输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电，当电容放电到某一阈值时，电容C再次充电。
由此实现Vi控制电容充放电速度，即控制输出脉冲频率。
1.3原理框图设计
图1.3.1
1.4电路图
图1.4.1
第二章电压频率变换器各单元电路设计
2.1积分设计
电子计分器是利用电子学的方法对测量线圈的感应电动势进行直接积分，其输出电压与磁场成正比，它能够对电压进行瞬时积分，可以测量随时间变化的磁场。
电子积分器的两种主要讲结构：
1.利用运算放大器实现积分运算的模拟电子积分器；2.利用电压频率转换器实现积分运算的数字电子积分器。
由于电子积分器的相对误差、精度问题以及零点不稳定等方面的问题，故采用数字电子积分器。
电压频率变换器构成的数字电子积分器可以排除上述缺点，由这种方法构成的磁通计与其他磁通计相比，准确度高，零点漂移小以及你可以利用计算机直接进行积分和数据处理。
本设计积分器采用集成运算放大器和RC元件构成的反向积分器。
具体电路如下：
图2.1.1
2.2单稳态触发器设计
单稳态触发器使用555定时器构成的单稳态电路，555集成电路是由集成运算放大器的
单门限压比较器、基本RS触发器及工作与开关状态的双极型三极管集成在一起的电路模块。
单稳态触发器是指电路达到稳定之后，只有一个稳定状态的触发器。
一般具有以下特点：
（1）电路的输出可以是低电平，也可以是高电平，但稳定的输出状态时唯一的。
（2）在外界的触发信号作用下，电路的输出状态将进入暂时的工作状态，成为暂稳态。
暂稳态是暂时的，经历一段时间后，电路的输出一定会自动回到其稳定输出状态。
（3）暂稳态的维持时间取决于电路的参数，与外界的触发信号脉冲宽度和幅度大小无关。
只要触发信号的幅度足够高或足够低，就能使电路进入暂稳态工作。
由于以上特点，单稳态触发器广泛应用于将尖脉冲转换成矩形脉冲信号，延时脉冲产生电路。
具体原理抽象图及具体电路图如下：
图2.2.1
2.3电子开关设计
电子开关采用开关三极管接成反相器形式，当触发器的输出为高电平时，三极管饱和导通，输出近似为0，当触发器输出为低电平时，三极管截止，输出近似等于+Vcc。
2.4恒流源电路设计
恒流源电路可采用开关三极管T，稳压二极管Dz等元件构成。
具体电路如下所示。
当Vi为0时，D2，D3截止，D4导通，所以积分电容通过二极管放电。
当Vi为1时，D2，D3导通，D4截止，输入信号对积分电容充电。
在单稳态触发器的输出端得到矩形脉冲。
图2.4.1
第三章理论计算
3.1主要参数表
器件
型号
个数
器件
型号
个数
电阻
10K
2
电容
1000PF
2
电阻
20K
4
电容
0.1UF
1
电阻
6.2K
1
运算放大器
1
电阻
22K
1
NPN二极管
2
电阻
1.7K
1
稳压管
1N5225B
1
电阻
100K
1
二极管
5
电阻
13K
1
555定时器
1
电源
15V
1
电源
15V
1
3.2基本计算
根据题目要求结合电路图，输入和输出关系Vi∝fo,题目要求输入电压范围为1～10V，而输出频率要求1～10KHz,所以该VFC电路需要1KHz/v的换系数。
输入有信号电压Vin时，积分电容充电，积分器输出下降，当电压降至触发器的触发电平（﹤1/3Vcc）,555置位，使得积分电容通过恒流源反向充电，当积分电容电压上升到2/3Vcc时，又使555复位，积分电容又开始充电，从而形成震荡。
因为单稳态电路的充电时间tw=1.1R9*C3,选取R9为43K，C3为1000p,确定充电时间为0.05ms。
根据所采用的恒流源电路及参数设置以及输入电压和输出频率的关系，可确定恒流源对积分电容反向充电时间，从而确定C1=0.1uf,R1=20K。
第四章实验结果
4.1实验数据记录表
Uin
（V）
fo（KHz）
Uin
（V）
fo（KHz）
U1
1
1.984
U4
7
13.804
U2
3
5.963
U5
9
18.144
U3
5
9.849
U6
10
32.526
4.2输入电压为1V时：
图4.2.1
图4.2.2
4.3输入电压为3V时：
图4.3.1
图4.3.2
4.4输入电压为5V时：
图4.4.1
图4.4.2
4.5输入电压为7V时：
图4.5.1
图4.5.2
4.6输入电压为9V时：
图4.6.1
图4.6.2
4.7输入电压为10V时：
图4.7.1
图4.7.2
第五章设计总结和体会
电压频率转换电路是将模拟电压信号转换成频率信号，由于电压/频率转换本身是一种积分过程，其转换结果送给计算机是可采取简单的电路耦合，因而具有较强的抗干扰能力，电压/频率转换电路与计算机的接口比较简单，转换精度和线性度也比较好。
通过这次课程设计，我学会很多关于电子产品的知识，进一步认识了我们现实生活中的电子产品，初步了解和掌握了一些简单电子元间的运用，大大拓展了我的知识面。
此外，更加熟练地掌握和运用multisim仿真软件。
设计时，虽然有一定难度，但我对这次课程设计非常积极。
我根据在网上和参考书上找到有关电压/频率转换器的知识，用力地研究和设计电路，并在multisim仿真软件上画原理图。
我先后在multisim上画了几个图，但都经调试后和正确结果不符合。
于是，我一五一十地按原理图认真地重画了一遍，最后终于画成功了，并且调试效果很好。
这次设计使我进一步了解了积分电路和稳压管，也了解了555定时器并知道了他的具体用处。
通过上网查资料，知道了电压/频率转换器可以测量电机转速，实现汽车超速报警以及应用于电子互感器（电子互感器在电力系统中应用涉及的一重要问题是高压侧数据的转换和同步传送，这个问题与电力系统保护和控制装置的准确性和可靠性密切相关，而电压/频率转换器在解决这个问题上有独特的优越性）等。
更重要的，提高了自己的动手能力，给了我很大的启发，有助于以后的学习和工作。
参考文献
1彭介华，《电子技术课程设计指导》，北京：
高等教育出版社，1997。
2高吉祥，《电子技术基础实验与课程设计》，北京：
电子工业出版社，2005。
3童诗白，《模拟电子技术基础》，北京：
高等教育出版社，1988。
4康华光，《电子技术基础——模拟部分》，北京：
高等教育出版社，2006。
5康光华，《电子技术基础——模拟部分》，北京：
高等教育出版社，2011。
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